Startseite > Power > Energiespeicher > Elektrodynamischer Wandler mit Industriequalität

Energy Harvesting

Elektrodynamischer Wandler mit Industriequalität

28. Juni 2012, 10:11 Uhr | Von Frank Schmidt

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Verbesserte Leistungsparameter

Der neue Energiewandler ECO 200 wurde gegenüber dem Vorgänger (ECO 100) in den Punkten Zyklenanzahl, Wirkungsgrad der Energiewandlung und Baugröße verbessert (Tabelle).

Mit nur 8 g Masse und nur 7 mm Bauhöhe lässt sich der Energiewandler auch in leichten, flachen Geräten unterbringen. Die typische Betätigungskraft (3,5 N) lässt sich zum Beispiel durch Handbetätigung leicht aufbringen. Sie kann, wenn nötig, in der Gesamtkonstruktion reduziert werden.

	ECO200	ECO 100 (abgekündigt)
Masse [g]	8	10
Abmessungen	29,3 x 19,5 x7,0	33,3 x 22,0 x 10,8
Typ. Betätigungskraft [N]	2,9 bis 3,9	1,6 bis 2,6
Max Betätigungsweg [mm]	1,2	2,0
Arbeitstemperatur [°C]	-25 bis +65	+5 bis +65
Typ. Schaltzyklen:	>300.000...>1.000.000	>60.000
Energieabgabe [µWs]	>120	>100

Tabelle: Kompakter, mit erweitertem Betriebstemperaturbereich und deutlich erhöhter Lebensdauer - der neue elektrodynamische Energie Harvester ECO 200 von EnOcean für Schalteranwendungen

Die Anzahl der Schaltzyklen des Energiewandlers hängt von der Präzision der Anregung ab. Diese wird durch den Schaltweg bestimmt, also die Wegstrecke, um welche die Blattfeder aus einer Ruhelage bewegt werden muss, bis der Wandler mechanisch umschaltet.

Bei dem maximal erlaubten Schaltweg von 1,2 mm können typisch mehr als 300.000 Schaltzyklen absolviert werden. Bei kleineren Schaltwegen - der Wandler schaltet schon spätestens nach 0,7 mm Federhub - sind deutlich mehr als eine Million Schaltzyklen typisch. Bei 100 Betätigungen pro Tag hat der Schalter eine Lebensdauer von mehr als 25 Jahren.

Mit der abgegebenen elektrischen Energie von 120 µWs lässt sich das zum Energiewandler passende Funkmodul PTM 330 betreiben (Bild 3). Pro Energiepuls - pro Betätigung des Energiewandlers - sendet es drei Funktelegramme mit einer Reichweite von 300 m im Freifeld bzw. 30 m im Gebäudeinneren. Die Energiewandlung funktioniert in beiden Betätigungsrichtungen. Auch die Rückbewegung liefert wieder einen Energiepuls. Somit lassen sich abhängig von der Betätigungsrichtung Start- und Stopp-Signale senden, mit denen Funktionen wie Torsteuerung, Jalousiesteuerung oder Dimmen realisierbar sind.

Trotz der scheinbaren Einfachheit der Konstruktion ist der Energiewandler ECO 200 ein Präzisionsprodukt. So haben alle funktionsbestimmenden Einzelteile Genauigkeitsanforderungen von nur wenigen hundertstel Millimetern; ebenso sind Federkonstanten, Lagerkräfte und magnetische Eigenschaften sehr eng toleriert.

Richtig einplanen und -einbauen

Der Energiewandler ECO 200 kontaktiert die Platine des Funkmoduls PTM 330 über goldbeschichtete Kontaktfedern, um etwaige Montagetoleranzen auszugleichen. Die Platine des Funkmoduls lässt sich in passende Plastikgehäuse einrasten. Dadurch entsteht eine zuverlässige und kostengünstig montierbare Verbindung.

Das Modul PTM 330 hat vier digitale Eingänge, über die sich bis zu vier Schaltzustände abbilden lassen. Über eine Schnittstelle lässt sich zudem der Inhalt der Funktelegramme während der Herstellung eines Endgeräts konfigurieren. Das Modul verfügt über eine einmalige 32-bit-Identifikationsnummer, die Überschneidungen mit anderen Funksensoren ausschließt. Es ist sowohl in 868 MHz als auch in 315 MHz verfügbar.

Damit der Energiewandler seine spezifizierten Eigenschaften wie hohe Lebensdauer und Energieabgabe dauerhaft erfüllen kann, sollten Entwickler einige Konstruktionshinweise beim Einbau in die jeweilige Anwendung beachten _[1]. Die mechanischen Rahmenbedingungen sind in den Zeichnungen und 3D-Daten der Einbau-Anleitung genau dargestellt _[2]. Die wesentlichen Punkte: Eine spielfreie Befestigung des Energiewandlers ECO 200 über den gekennzeichneten Schnittstellen und die strikte Einhaltung des minimalen Betätigungshubes von mehr als 1,82 mm an der Blattfeder sind entscheidend für einen sicheren Betrieb. Der Betätigungshub ist die Wegstrecke, die an der Blattfeder ausgeübt werden kann, ohne den Wandler zu schädigen. Auch der maximal einzubringende Betätigungshub von weniger als 3,43 mm ist zu beachten, damit es nicht zu vorzeitigen Beschädigungen am Energiewandler kommt.

Plattform für Weiterentwicklung

Der Energiewandler ECO 200 ist Teil einer Plattform, die aus einer wachsenden Anzahl von Energiewandlern, Energiespeichern, optimierten Funksendern, Sensoren, Software und Entwicklungswerkzeugen besteht. Neben der mechanischen Energie nutzen energieautarke Funkmodule über eine miniaturisierte Solarzelle auch Licht oder über einen Thermowandler Wärme als Energiequelle. Der gemeinsame Faktor ist der internationale Standard ISO/IEC 14543-3-10 [3], der für die Funkübertragung mit besonders niedrigem Energiebedarf und Energy Harvesting optimiert ist. Der Standard deckt die Schichten 1 bis 3 des OSI-Modells (Open Systems Interconnection) ab und umfasst damit die Bitübertragungs-, Sicherungs- und Vermittlungsschicht. Zusammen mit den Anwendungsprofilen der EnOcean Alliance (EEP, EnOcean Equipment Profiles) stellt der Standard die Interoperabilität der Produkte unterschiedlicher Hersteller sicher.

Literatur & Autor

[1] Energy harvester ECO 200, Datenblatt. www.enocean.com/de/enocean_
module/ECO_200_Data_Sheet_Mar12_03.pdf
[2] ECO 200 Design Rules und Einbauanweisungen. www.enocean.com/de/enocean_module/ECO_200_Installa-tion-Instruction_09_Mar_03.zip
[3] ISO/IEC 14543-3-10:2012-03. Informationstechnik - Heim-Elektronik-Systeme (HES) - Teil 3-10: Drahtlosprotokoll für kurze Datenpakete (WSP), optimiert für Energy Harvesting - Architektur und untere Protokollebenen.

Frank Schmidt
ist ein Pionier der Energy-Harvesting-Technik und der Visionär im Management-Team von EnOcean. Als Chief Technology Officer kümmert er sich um die Ausrichtung und Koordination der Technik-Roadmap, die Patentangelegenheiten sowie die Kontaktpflege zu Bildungs-, Forschungs- und Wissenschaftsinstituten. Vor EnOcean war er in der zentralen Forschungsabteilung der Siemens AG beschäftigt, wo er bereits 1995 batterielose Funktechnik entwickelt hat. Mittlerweile hat er mehr als 40 Erfindungen im Energy-Harvesting-Bereich zum Patent angemeldet und zahlreiche Fachartikel veröffentlicht.

Frank Schmidt

ist ein Pionier der Energy-Harvesting-Technik und der Visionär im Management-Team von EnOcean. Als Chief Technology Officer kümmert er sich um die Ausrichtung und Koordination der Technik-Roadmap, die Patentangelegenheiten sowie die Kontaktpflege zu Bildungs-, Forschungs- und Wissenschaftsinstituten. Vor EnOcean war er in der zentralen Forschungsabteilung der Siemens AG beschäftigt, wo er bereits 1995 batterielose Funktechnik entwickelt hat. Mittlerweile hat er mehr als 40 Erfindungen im Energy-Harvesting-Bereich zum Patent angemeldet und zahlreiche Fachartikel veröffentlicht.

frank.schmidt@enocean.com